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O caminho para os switches de estado sólido tem sido longo e difícil. Tudo começou com a descoberta de que certos materiais se comportam de maneira estranha na presença de eletricidade – não como previam as teorias então existentes. O que se seguiu foi uma história de como a tecnologia se tornou uma disciplina cada vez mais científica e institucional no século XX. Amadores, novatos e inventores profissionais praticamente sem formação científica deram contribuições sérias para o desenvolvimento do telégrafo, da telefonia e do rádio. Mas, como veremos, quase todos os avanços na história da electrónica de estado sólido vieram de cientistas que estudaram em universidades (e geralmente têm um doutoramento em física) e trabalharam em universidades ou laboratórios de investigação empresariais.
Qualquer pessoa com acesso a uma oficina e conhecimentos básicos de materiais pode montar um relé com fios, metal e madeira. A criação de tubos de vácuo requer ferramentas mais especializadas que possam criar um bulbo de vidro e bombear o ar para fora dele. Os dispositivos de estado sólido desapareceram numa toca de coelho da qual o comutador digital nunca mais regressou, mergulhando cada vez mais fundo em mundos inteligíveis apenas para a matemática abstracta e acessíveis apenas com a ajuda de equipamentos absurdamente caros.
Galena
Em 1874 ano , um físico de 24 anos de St. Thomas, em Leipzig, publicou o primeiro de muitos trabalhos científicos importantes em sua longa carreira. O artigo, “Sobre a passagem de correntes elétricas através de sulfetos metálicos”, foi aceito no Annalen de Pogendorff, uma prestigiada revista dedicada às ciências físicas. Apesar do título enfadonho, o artigo de Brown descreveu alguns resultados experimentais surpreendentes e intrigantes.
Fernando Brown
Brown ficou intrigado com sulfetos – cristais minerais compostos de compostos de enxofre com metais – através de seu trabalho . Já em 1833, Michael Faraday observou que a condutividade do sulfeto de prata aumenta com a temperatura, o que é exatamente o oposto do comportamento dos condutores metálicos. Hittorf compilou um relatório quantitativo completo de medições desse efeito na década de 1850, tanto para sulfetos de prata quanto de cobre. Agora Brown, usando uma configuração experimental inteligente que pressionava um fio de metal contra um cristal de sulfeto com uma mola para garantir um bom contato, descobriu algo ainda mais estranho. A condutividade dos cristais dependia da direção - por exemplo, a corrente poderia fluir bem em uma direção, mas quando a polaridade da bateria fosse invertida, a corrente poderia cair repentinamente. Os cristais agiam mais como condutores em uma direção (como os metais normais) e mais como isolantes em outra (como o vidro ou a borracha). Esta propriedade ficou conhecida como retificação devido à sua capacidade de transformar corrente alternada "crimpada" em corrente contínua "plana".
Na mesma época, os pesquisadores descobriram outras propriedades estranhas de materiais como o selênio, que poderia ser fundido a partir de certos minérios de sulfeto metálico. Quando exposto à luz, o selênio aumentou a condutividade e até passou a gerar eletricidade, podendo também ser utilizado para retificação. Houve alguma conexão com cristais de sulfeto? Sem modelos teóricos para explicar o que estava acontecendo, o campo ficou confuso.
No entanto, a falta de teoria não impediu as tentativas de aplicar os resultados na prática. No final da década de 1890, Brown tornou-se professor na Universidade de Estrasburgo - recentemente anexada à França durante o e renomeada como Universidade Kaiser Wilhelm. Lá ele foi sugado para o excitante novo mundo da radiotelegrafia. Ele concordou com a proposta de um grupo de empresários para criar em conjunto um sistema de comunicação sem fio baseado na transmissão de ondas de rádio através da água. No entanto, ele e seus cúmplices logo abandonaram a ideia original em favor da sinalização aérea, que foi utilizada por Marconi e outros.
Entre os aspectos do rádio que o grupo de Brown procurou melhorar estava o então receptor padrão, . Baseava-se no fato de que as ondas de rádio faziam com que as limalhas de metal se aglomerassem, permitindo que a corrente da bateria passasse para o dispositivo de sinalização. Funcionou, mas o sistema só respondeu a sinais relativamente fortes e exigiu batidas constantes no dispositivo para quebrar um pedaço de serragem. Brown lembrou-se de seus antigos experimentos com cristais de sulfeto e, em 1899, recriou sua antiga configuração experimental com um novo propósito - servir como detector de sinais sem fio. Ele usou o efeito de retificação para converter a minúscula corrente oscilante gerada pela passagem de ondas de rádio em uma corrente contínua que poderia alimentar um pequeno alto-falante que produzisse um clique audível para cada ponto ou traço. Este dispositivo mais tarde ficou conhecido como ""devido à aparência do fio, que tocava facilmente o topo do cristal. Na Índia britânica (onde hoje está localizado Bangladesh), o cientista e inventor Jagadish Bose construiu um dispositivo semelhante, possivelmente já em 1894. Outros logo começaram a fabricar detectores semelhantes baseados em silício e carborundo (carboneto de silício).
No entanto, é , o sulfeto de chumbo, que foi fundido para produzir chumbo desde os tempos antigos, tornou-se o material preferido para detectores de cristal. Eles eram fáceis de fabricar e baratos e, como resultado, tornaram-se incrivelmente populares entre a primeira geração de rádios amadores. Além disso, ao contrário de um coesor binário (com serragem aglomerada ou não), um retificador cristalino poderia reproduzir um sinal contínuo. Portanto, ele poderia produzir voz e música audíveis ao ouvido, e não apenas código Morse com seus pontos e traços.
Detector de bigode de gato baseado em galena. O pequeno pedaço de arame à esquerda é o bigode, e o pedaço de material prateado na parte inferior é o cristal de galena.
No entanto, como logo descobriram radioamadores frustrados, poderia levar minutos ou até horas para encontrar o ponto mágico na superfície do cristal que proporcionaria uma boa retificação. E os sinais sem amplificação eram fracos e tinham som metálico. Na década de 1920, os receptores valvulados com amplificadores triodo praticamente tornaram os detectores de cristal obsoletos em quase todos os lugares. Sua única característica atraente era o baixo custo.
Esta breve aparição na área do rádio parecia ser o limite da aplicação prática das estranhas propriedades elétricas do material descoberto por Brown e outros.
Veja como
Então, na década de 1920, outro físico chamado Lars Grondahl descobriu algo estranho em sua configuração experimental. Grondahl, o primeiro de uma série de homens inteligentes e inquietos na história do oeste americano, era filho de um engenheiro civil. Seu pai, que emigrou da Noruega em 1880, trabalhou durante várias décadas em ferrovias na Califórnia, Oregon e Washington. No início, Grondahl parecia determinado a deixar para trás o mundo da engenharia de seu pai, indo para a Johns Hopkins para fazer um doutorado em física para seguir um caminho acadêmico. Mas então ele se envolveu no negócio ferroviário e assumiu o cargo de diretor de pesquisa da Union Switch and Signal, uma divisão da gigante industrial. , que fornecia equipamentos para a indústria ferroviária.
Várias fontes indicam razões conflitantes para a motivação de Grondahl para sua pesquisa, mas seja como for, ele começou a fazer experiências com discos de cobre aquecidos de um lado para criar uma camada oxidada. Ao trabalhar com eles, ele percebeu a assimetria da corrente - a resistência em uma direção era três vezes maior que na outra. Um disco de cobre e óxido de cobre retificou a corrente, assim como um cristal de sulfeto.
Circuito retificador de óxido de cobre
Grondahl passou os seis anos seguintes desenvolvendo um retificador comercial pronto para uso baseado neste fenômeno, contando com a ajuda de outro pesquisador norte-americano, Paul Geiger, antes de submeter um pedido de patente e anunciar sua descoberta à American Physical Society em 1926. O dispositivo imediatamente se tornou um sucesso comercial. Devido à ausência de filamentos frágeis, era muito mais confiável que o retificador de tubo de vácuo baseado no princípio da válvula Fleming e era mais barato de produzir. Ao contrário dos cristais retificadores Brown, funcionou na primeira tentativa e, devido à maior área de contato entre o metal e o óxido, funcionou com uma faixa maior de correntes e tensões. Ele poderia carregar baterias, detectar sinais em vários sistemas elétricos e atuar como um shunt de segurança em geradores potentes. Quando usados como fotocélulas, os discos podiam funcionar como medidores de luz e eram especialmente úteis em fotografia. Outros pesquisadores na mesma época desenvolveram retificadores de selênio que encontraram aplicações semelhantes.
Um pacote de retificadores à base de óxido de cobre. A montagem de vários discos aumentou a resistência reversa, o que possibilitou utilizá-los com alta tensão.
Alguns anos depois, dois físicos do Bell Labs, Joseph Becker e , decidiram estudar o princípio de funcionamento de um retificador de cobre - eles estavam interessados em aprender como ele funcionava e como poderia ser usado no Sistema Bell.
Brattain na velhice - aprox. 1950
Brattain era da mesma região que Grondal, no noroeste do Pacífico, onde cresceu em uma fazenda a poucos quilômetros da fronteira com o Canadá. No ensino médio, ele se interessou por física, mostrando aptidão na área, e eventualmente recebeu um doutorado pela Universidade de Minnesota no final da década de 1920, e conseguiu um emprego nos Laboratórios Bell em 1929. Entre outras coisas, na universidade que estudou a mais recente física teórica, que ganhava popularidade na Europa, e conhecida como mecânica quântica (seu curador era , que também orientou John Atanasoff).
Revolução quântica
Uma nova plataforma teórica desenvolveu-se lentamente ao longo das últimas três décadas e, no devido tempo, será capaz de explicar todos os estranhos fenómenos que têm sido observados durante anos em materiais como a galena, o selénio e o óxido de cobre. Todo um grupo de físicos, na sua maioria jovens, principalmente da Alemanha e de países vizinhos, causou uma revolução quântica na física. Para onde quer que olhassem, não encontravam o mundo suave e contínuo que haviam aprendido, mas pedaços estranhos e discretos.
Tudo começou na década de 1890. Max Planck, um famoso professor da Universidade de Berlim, decidiu trabalhar com um conhecido problema não resolvido: como ““(uma substância ideal que absorve toda a energia e não a reflete) emite radiação no espectro eletromagnético? Vários modelos foram testados, nenhum dos quais correspondeu aos resultados experimentais – eles falharam em uma extremidade do espectro ou na outra. Planck descobriu que se assumirmos que a energia é emitida por um corpo em pequenos “pacotes” de quantidades discretas, então podemos escrever uma lei simples da relação entre frequência e energia, que corresponde perfeitamente aos resultados empíricos.
Logo depois, Einstein descobriu que o mesmo acontecia com a absorção de luz (o primeiro indício de fótons), e J. J. Thomson mostrou que a eletricidade também era transportada não por um fluido ou onda contínua, mas por partículas discretas - elétrons. Niels Bohr criou então um modelo para explicar como átomos excitados emitem radiação atribuindo elétrons a órbitas individuais no átomo, cada uma com sua própria energia. No entanto, esse nome é enganoso porque eles não se comportam de forma alguma como as órbitas dos planetas - no modelo de Bohr, os elétrons saltavam instantaneamente de uma órbita, ou nível de energia, para outro, sem passar por um estado intermediário. Finalmente, na década de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born e outros criaram uma plataforma matemática generalizada conhecida como mecânica quântica, incorporando todos os modelos quânticos especiais que tinham sido criados ao longo dos vinte anos anteriores.
A essa altura, os físicos já estavam confiantes de que materiais como o selênio e a galena, que exibiam propriedades fotovoltaicas e retificadoras, pertenciam a uma classe separada de materiais, que chamavam de semicondutores. A classificação demorou tanto por vários motivos. Em primeiro lugar, as próprias categorias “condutores” e “isolantes” eram bastante amplas. T. N. Os “condutores” variavam enormemente em condutividade, e o mesmo (em menor grau) acontecia com os isolantes, e não era óbvio como qualquer condutor específico poderia ser classificado em qualquer uma dessas classes. Além disso, até meados do século XX era impossível obter ou criar substâncias muito puras, e quaisquer estranhezas na condutividade dos materiais naturais podiam sempre ser atribuídas à contaminação.
Os físicos tinham agora tanto as ferramentas matemáticas da mecânica quântica como uma nova classe de materiais aos quais podiam ser aplicadas. Teórico britânico foi o primeiro a juntar tudo e construir um modelo geral de semicondutores e como eles funcionam em 1931.
A princípio, Wilson argumentou que os materiais condutores diferem dos dielétricos no estado de suas bandas de energia. A mecânica quântica afirma que os elétrons podem existir em um número limitado de níveis de energia encontrados nas camadas, ou orbitais, de átomos individuais. Se você comprimir esses átomos na estrutura de um material, seria mais correto imaginar zonas contínuas de energia passando por ele. Existem espaços vazios em condutores em bandas de alta energia, e o campo elétrico pode mover elétrons livremente para lá. Nos isoladores, as zonas são preenchidas e é uma subida bastante longa para chegar à zona condutora mais alta, por onde é mais fácil a passagem da eletricidade.
Isso o levou à conclusão de que as impurezas – átomos estranhos na estrutura de um material – devem contribuir para suas propriedades semicondutoras. Eles podem fornecer elétrons extras, que escapam facilmente para a banda de condução, ou buracos – uma falta de elétrons em relação ao resto do material – que criam espaços de energia vazios onde os elétrons livres podem se mover. A primeira opção foi posteriormente chamada de semicondutores do tipo n (ou eletrônicos) por causa do excesso de carga negativa, e a segunda - semicondutores do tipo p ou buraco por causa do excesso de carga positiva.
Finalmente, Wilson propôs que a retificação atual por semicondutores poderia ser explicada em termos quânticos. , o salto repentino de elétrons através de uma fina barreira elétrica em um material. A teoria parecia plausível, mas previa que no retificador a corrente deveria fluir do óxido para o cobre, quando na realidade acontecia o contrário.
Assim, apesar de todos os avanços de Wilson, os semicondutores continuaram difíceis de explicar. À medida que gradualmente se tornou claro, as mudanças microscópicas na estrutura cristalina e na concentração de impurezas afetaram desproporcionalmente o seu comportamento elétrico macroscópico. Ignorando a falta de compreensão - já que ninguém conseguia explicar as observações experimentais feitas por Brown 60 anos antes - Brattain e Becker desenvolveram um processo de fabricação eficiente para retificadores de óxido de cobre para seu empregador. O Sistema Bell rapidamente começou a substituir os retificadores de tubo de vácuo em todo o sistema por um novo dispositivo que seus engenheiros chamaram de , já que sua resistência variava dependendo da direção.
medalha de ouro
Mervyn Kelly, físico e ex-chefe do departamento de tubos de vácuo do Bell Labs, ficou muito interessado neste desenvolvimento. Ao longo de algumas décadas, os tubos de vácuo forneceram à Bell um serviço inestimável e foram capazes de executar funções que não eram possíveis com a geração anterior de componentes mecânicos e eletromecânicos. Mas eles esquentavam, superaqueciam regularmente, consumiam muita energia e eram difíceis de manter. Kelly pretendia reconstruir o sistema de Bell com componentes eletrônicos de estado sólido mais confiáveis e duráveis, como varistores, que não exigissem caixas seladas, cheias de gás ou vazias ou filamentos quentes. Em 1936, ele se tornou chefe do departamento de pesquisa do Bell Labs e começou a redirecionar a organização para um novo caminho.
Tendo obtido um retificador de estado sólido, o próximo passo óbvio foi criar um amplificador de estado sólido. Naturalmente, como um amplificador valvulado, tal dispositivo também poderia funcionar como um comutador digital. Isso foi de particular interesse para a empresa de Bell, uma vez que as centrais telefônicas ainda usavam um grande número de centrais eletromecânicas digitais. A empresa procurava um substituto mais confiável, menor, com baixo consumo de energia e mais frio para o tubo de vácuo em sistemas telefônicos, rádios, radares e outros equipamentos analógicos, onde eram usados para amplificar sinais fracos a níveis que o ouvido humano pudesse ouvir.
Em 1936, os Laboratórios Bell finalmente suspenderam o congelamento de contratações imposto durante . Kelly imediatamente começou a recrutar especialistas em mecânica quântica para ajudar a lançar seu programa de pesquisa no estado sólido, incluindo , outro nativo da Costa Oeste, de Palo Alto, Califórnia. O tema de sua recente dissertação no MIT se adequava perfeitamente às necessidades de Kelly: "Bandas de elétrons em cloreto de sódio".
Brattain e Becker continuaram suas pesquisas sobre o retificador de óxido de cobre durante esse período, buscando um amplificador de estado sólido aprimorado. A maneira mais óbvia de fazer isso era seguir a analogia com um tubo de vácuo. Assim como Lee de Forest pegou um amplificador valvulado e entre o cátodo e o ânodo, e Brattain e Becker imaginaram como uma malha poderia ser inserida na junção do cobre e do óxido de cobre, onde a retificação deveria ocorrer. Porém, devido à pequena espessura da camada, eles acharam impossível fazer isso e não tiveram sucesso.
Enquanto isso, outros desenvolvimentos mostraram que a Bell Labs não era a única empresa interessada em eletrônicos de estado sólido. Em 1938, Rudolf Hilsch e Robert Pohl publicaram os resultados de experimentos realizados na Universidade de Göttingen em um amplificador de estado sólido funcional criado pela introdução de uma grade em um cristal de brometo de potássio. Este aparelho de laboratório não tinha valor prático, principalmente porque operava a uma frequência não superior a 1 Hz. E, no entanto, essa conquista não poderia deixar de agradar a todos os interessados em eletrônica de estado sólido. Naquele mesmo ano, Kelly designou Shockley para um novo grupo independente de pesquisa de dispositivos de estado sólido e deu a ele e a seus colegas Foster Nix e Dean Woolridge carta branca para explorar suas capacidades.
Pelo menos dois outros inventores conseguiram criar amplificadores de estado sólido antes da Segunda Guerra Mundial. Em 1922, o físico e inventor soviético publicou os resultados de experimentos bem-sucedidos com semicondutores de zincita, mas seu trabalho passou despercebido pela comunidade ocidental; Em 1926, o inventor americano Julius Lillenfield solicitou a patente de um amplificador de estado sólido, mas não há evidências de que sua invenção tenha funcionado.
O primeiro grande insight de Shockley em sua nova posição veio durante a leitura do trabalho de 1938 do físico britânico Neville Mott, A Teoria dos Retificadores Cristalinos, que finalmente explicou o princípio de operação do retificador de óxido de cobre Grondahl. Mott usou a matemática da mecânica quântica para descrever a formação de um campo elétrico na junção de um metal condutor e um óxido semicondutor, e como os elétrons "saltam" sobre essa barreira elétrica, em vez de escavarem um túnel como Wilson propôs. A corrente flui mais facilmente do metal para o semicondutor do que vice-versa porque o metal tem muito mais elétrons livres.
Isso levou Shockley exatamente à mesma ideia que Brattain e Becker haviam considerado e rejeitado anos antes: fazer um amplificador de estado sólido inserindo uma malha de óxido de cobre entre o cobre e o óxido de cobre. Ele esperava que a corrente que flui através da rede aumentasse a barreira que limita a corrente que flui do cobre para o óxido, criando uma versão amplificada e invertida do sinal na rede. Sua primeira tentativa grosseira falhou completamente, então ele recorreu a um homem com habilidades de laboratório mais refinadas e familiaridade com retificadores: Walter Brattain. E embora não tivesse dúvidas sobre o resultado, Brattain concordou em satisfazer a curiosidade de Shockley e criou uma versão mais complexa do amplificador de “grade”. Ela também se recusou a trabalhar.
Então a guerra interveio, deixando o novo programa de pesquisa de Kelly em desordem. Kelly tornou-se chefe do grupo de trabalho de radar do Bell Labs, apoiado pelo principal centro de pesquisa de radar dos EUA, o MIT. Brattain trabalhou para ele por um breve período e depois passou a pesquisar sobre detecção magnética de submarinos para a Marinha. Woolridge trabalhou em sistemas de controle de fogo, Nix trabalhou na difusão de gás para o Projeto Manhattan e Shockley entrou em pesquisa operacional, primeiro trabalhando na guerra anti-submarina no Atlântico e depois no bombardeio estratégico no Pacífico.
Mas apesar desta intervenção, a guerra não impediu o desenvolvimento da electrónica de estado sólido. Pelo contrário, orquestrou uma infusão maciça de recursos no campo e levou a uma concentração da investigação em dois materiais: germânio e silício.
O que mais ler
Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolução em Miniatura (1978)
Friedrich Kurylo e Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
GL Pearson e WH Brattain, “History of Semiconductor Research”, Proceedings of the IRE (dezembro de 1955).
Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Fogo de Cristal (1997)
Fonte: habr.com
